3B Scientific Water Wave Channel User Manual [en, de, es, fr, it]
3B SCIENTIFIC
Wasserwellenkanal U8431411
Bedienungsanleitung
11/08 ELWE/ALF
®
PHYSICS
1. Beschreibung
Der Wasserwellenkanal dient der Demonstration
und Untersuchung von Oberflächenwellen in Wasser.
Er besteht aus einer großen durchsichtigen Küvette,
die zu 2/3 mit Wasser gefüllt wird. Im kurzen, Vförmigen Teil werden die Wellen erzeugt, im Iförmigen Teil werden sie untersucht. Zur Erzeugung der Wellen ist am Ende des V-förmigen Kanals
ein Motor mit Getriebe angebracht. Er treibt zwei
Tauchkörper an, die sich im Wasser auf und ab
bewegen. Jeder Tauchkörper erzeugt in einem Teil
des V-förmigen Kanals eine Welle. Je nach der Einstellung an der Erregerwelle können sich die beiden Tauchkörper gleichsinnig oder gegensinnig
bewegen. Die Frequenz der Wellen kann durch
Verändern der Betriebsspannung des Motors variiert werden.
In den beiden Teilkanälen befindet sich je ein
Rahmen mit einem Vlies, den die Wellen durchdringen müssen. Dadurch wird ein weitgehend
sinusförmiger Verlauf erreicht. Danach treten sie in
den I-förmigen Teil des Kanals ein und bewegen
sich bis zu dessen Ende. Ist am Ende dieses Kanals
der dämpfende Rahmen mit Vlies eingeschoben, so
werden sie weitestgehend absorbiert. Dadurch tritt
im Kanal das Bild einer sich ausbreitenden Welle
auf. Ist der Absorber nicht eingeführt, so werden die
Wellen am hinteren Ende des I-förmigen Kanals
reflektiert.
Bei kurzer Einschaltzeit des Motors entsteht ein
Wellenzug, der nach Durchlaufen des Kanals und
nach der Reflexion wieder zum Erreger zurück-
1
kehrt. Bei Dauerbetrieb des Motors überlagern sich
die ankommende und die reflektierte Welle, und es
tritt das Bild einer stehenden Welle auf.
Wird die am Ende des I-Kanals absorbierte Welle
von nur einem Wellenerreger erzeugt (Verschließen
des zweiten Teilkanals), so ist ihre Amplitude klein.
Gelangen beide Teilwellen in den I-förmigen Teil
des Kanals, so nimmt die Amplitude zu.
Durch Einfügen der Trennplatte in den Übergangsbereich vom V-förmigen zum I-förmigen Kanal
verlaufen die beiden Teilwellen auch im I-förmigen
Kanal noch getrennt und können in ihrer Bewegung miteinander verglichen werden. Werden die
beiden Wellenerreger gegensinnig betrieben, so ist
im Bereich der eingeschobenen Glasplatte deutlich
die Phasenverschiebung von λ/2 zu erkennen. Die
Überlagerung dieser beiden Teilwellen führt dazu,
dass nach ihrem Eintreten in den hinteren Teil des
I-Kanals weitestgehend Auslöschung auftritt.
Mit dem Wasserwellenkanal sind Experimente zu
folgenden Schwerpunkten möglich:
Erzeugung einer nichtperiodischen Welle
Erzeugung einer periodischen Welle
Nachweis, dass Wellen Energie, aber keinen Stoff
transportieren
Phasen- und Gruppengeschwindigkeit einer Welle
Bestimmung der Phasengeschwindigkeit
Demonstration des Zusammenhangs zwischen
Frequenz und Wellenlänge
Reflexion einer Welle
Stehende Wellen
Phasengleiche Überlagerung von Wellen
Überlagerung von Wellen mit einer Phasenver-
schiebung von λ/2
1.1 Zubehör
2 konische Rahmen mit Vlies zur Homogenisie-
rung der Wellen (Primärabsorber)
1 Rahmen mit rotem Vlies zur Dämpfung der
Welle (Sekundärabsorber)
1 Dichtungsprofil zum zeitweiligen Verschließen
eines V-förmigen Teilkanals
1 durchsichtige Trennplatte 40x170x6 mm mit
Distanzstücken zum Einführen in den Iförmigen Kanal
2 Schwimmerkugeln mit Faden zum Nachweis
der Auf- und Abbewegung
1.2 Zusätzlich benötigte Geräte
1 Stromversorgungsgerät für Gleichspannung, 0 -
20 V, stufenlos stellbar
1 Reflektorlampe
Fluoreszein zum Anfärben des Wassers
2. Technische Daten
Betriebsspannung Motor: 12 V DC
Abmessungen: 1500 x 150 x 290 mm
Gewicht: ca. 12,6 kg
3. Bedienung
• Den Wasserwellenkanal bis zur markierten
Höhe mit Wasser füllen, dem etwas Fluoreszein zugesetzt wurde (Fig. 1).
• Die Beleuchtung mit der Reflektorlampe er-
folgt schräg von oben, so dass die Wasseroberfläche als fluoreszierende Schicht erscheint.
• Den Motor mit dem Stromversorgungsgerät
verbinden.
• In die beiden Teilkanäle des V-förmigen Teils
je einen Primärabsorber einschieben.
• Am hinteren Ende des I-förmigen Teils den
Sekundärabsorber so einführen, dass die
Wellen an der Oberfläche sehr flach auf ihn
auflaufen.
• Den Motor einschalten.
Es entsteht das Bild einer sich ausbreitenden Welle.
Um die Phasenlage der beiden Teilwellen zu verän-
dern, wird eine der Walzen auf der Erregerwelle um
180° verdreht, bis sie einrastet.
Die Spannung f ür den Motor kann kurzzeitig bis
etwa 13 V erhöht werden. Die Stromstärke ist
kleiner als 0,5 A. Der Motorschalter besitzt 3 Stellungen. In der Mittelstellung ist der Motor abgeschaltet. Betätigt man den Schalter nach der einen
Seite, so wird der Motor eingeschaltet (Dauerbetrieb). Betätigt man den Schalter nach der anderen Seite, so arbeitet der Motor nur so lange, wie
der Schalter gedrückt wird. Auf diese Weise können kurze Wellenlängen erzeugt werden.
• Nach dem Experimentieren unter den hinteren
Teil des I-förmigen Kanals einen Wassereimer
unterstellen.
Zur Entleerung des Wasserwellenkanals ist ein fest
mit dem Kanalinneren verbundener Ablaufschlauch vorgesehen.
Der Schlauch aus ermüdungssicherem Kunststoff
befindet sich in der kleinen Aufbewahrungsbox am
Kanalende (hinter der grauen Verschlussplatte).
• Zum Entnehmen des Wassers den Schlauch
vorsichtig (das eine Ende ist fest mit einem Anschlussstutzen verbunden) aus der Box nehmen.
• Das freie Ende durch leichtes Straffen bis zum
Ablaufgefäß führen.
Das Wasser entläuft selbständig.
2
• Nach erfolgter Entleerung den Schlauch wieder
zickzackförmig zusammenlegen und in die Box
zurückschieben.
4. Versuchsbeispiele
4.1 Erzeugung einer nichtperiodischen Welle
• Zunächst eine gleichphasige Bewegung der
beiden Erreger einstellen.
• Am Ende des I-förmigen Teils des Wellenkanals
den Absorber einschieben.
• Den Motor etwa 1 s lang einschalten.
Es entsteht ein kurzer Wellenzug, der sich durch
den Wellenkanal bewegt (Fig. 2).
4.2 Erzeugung einer periodischen Welle
• Den Motor für längere Zeit einschalten.
Es entsteht eine fortschreitend periodische Welle, die
vom Erreger bis zum hinteren Ende des I-Kanals
verläuft.
4.3 Nachweis, dass Wellen Energie, aber keinen
Stoff transportieren
• Im mittleren Teil des I-förmigen Kanals an
verschiedenen Stellen die beiden Schwimmerkugeln mit ihren Fäden an der Kanalwandung
befestigen.
• Den Motor kurzzeitig einschalten.
Wenn die Kugeln von dem Wellenzug getroffen
werden, bewegen sie sich wie die Wasserteilchen
rhythmisch auf und ab. Nach der Weiterbewegung
des Wellenzuges befinden sich die Kugeln noch an
der gleichen Stelle.
4.4 Bestimmung der Phasengeschwindigkeit
einer Welle
• Bei laufendem Motor die Zeit messen, die ein
Wellenberg braucht, um von der Eintrittsstelle
in den I-förmigen Kanal bis zum Absorber zu
gelangen.
Die Geschwindigkeit wird als Quotient aus Weg und
Zeit berechnet.
4.5 Zusammenhang zwischen Frequenz und
Wellenlänge
• Den Motor zunächst mit einer geringen Span-
nung betreiben.
• Die Wellenlänge abschätzen.
• Danach die Frequenz des Motors vergrößern
und erneut die Wellenlänge ermitteln.
• Das Experiment mit noch größerer Drehzahl
des Motors wiederholen.
Je größer die Frequenz der Welle ist, umso kleiner
ist die Wellenlänge.
4.6 Reflexion der Wasserwelle
• Den Sekundärabsorber im hinteren Teil des I-
Kanals entfernen.
• Den Wellenerreger etwa 1 s lang einschalten.
Es entsteht ein kurzer Wellenzug, der sich bis zum
Ende des I-Kanals bewegt. Dort wird er reflektiert
und verläuft zurück zum Wellenerreger.
4.7 Phasengeschwindigkeit und Gruppengeschwindigkeit
• Den Wellenerreger etwa 2 s lang einschalten.
Es ist deutlich zu erkennen, dass sich die Wellenberge mit größerer Geschwindigkeit zum Ende des
I-Kanals bewegen und nach der Reflexion von dort
zum Wellenerreger zurück als die gesamte Wellengruppe.
4.8 Stehende Wellen
• Den Motor einschalten.
Die Welle wird am Ende des I-Kanals reflektiert. Die
reflektierte Welle überlagert sich mit der ankommenden Welle. Es entsteht eine stehende Welle.
Durch geringfügiges Ändern der Motordrehzahl
kann ein überzeugendes Bild einer stehenden
Welle eingestellt werden.
4.9 Phasengleiche Überlagerung der Wellen
• Den Wellenabsorber wieder am hinteren Ende
des I-Kanals einschieben.
• Den Motor einschalten.
• Zunächst den Ausgang eines Teilkanals mit dem
Dichtungsprofil verschließen.
• Nach dem Eintreten der Welle in den I-Kanal
ihre Amplitude bestimmen (Fig. 3).
• Danach den zweiten Teilkanal wieder frei ge-
ben und erneut die Amplitude an der gleichen
Stelle ermitteln.
Sie ist jetzt um den Faktor √2 größer als im ersten
Falle (Fig. 4).
4.10 Überlagerung der Wellen bei einer phasenverschiebung von 1/2
• Eine Muffe auf der Erregerwelle so verdrehen,
dass sich die Erreger gegensinnig bewegen.
• In den Bereich des Übergangs vom V-förmigen
in den I-förmigen Teil die Trennplatte einführen.
• Den Motor einschalten.
Im Bereich der Trennplatte ist deutlich die phasenverschobene Lage der beiden Teilwellen zu erken-
3
nen. Im I-förmigen Teil des Kanals, der nicht durch
die Platte getrennt ist, treffen die beiden Teilwellen zusammen und löschen sich aus (Fig. 1).
Die Tatsache, dass sich im Bereich des Kanals mit
Trennplatte stehende Wellen ausbilden, ist auf die
Reflexion der Teilwellen hinter der trennenden
Fig. 1 Aufbau des Wellenwannenkanals
Platte zurückzuführen. Schaltet man den Erreger
nur kurzzeitig ein, so ist zu erkennen, dass sich die
beiden Teilwellen bis zur Überlagerungsstelle
bewegen. Dort werden sie in den beiden Kanälen
zurück reflektiert.
Fig. 2 Erzeugung einer nichtperiodischen Welle
4
Fig. 3 Phasengleiche Überlagerung der Wellen
Fig. 4 Phasengleiche Überlagerung der Wellen
Elwe Didactic GmbH • Steinfelsstr. 6 • 08248 Klingenthal • Deutschland • www.elwedidactic.com
3B Scientific GmbH • Rudorffweg 8 • 21031 Hamburg • Deutschland • www.3bscientific.com
Technische Änderungen vorbehalten
© Copyright 2008 3B Scientific GmbH
3B SCIENTIFIC
Water Wave Channel U8431411
Instruction sheet
11/08 ELWE/ALF
®
PHYSICS
1. Description
The water wave channel serves for the demonstration and investigation of surface waves in water.
It consists of a large transparent oblong trough,
which is two-thirds filled with water.
The waves are produced in the short V-shaped
section and studied in the I-shaped section. For the
generation of the waves a motor with transmission
is attached at the end of the V-shaped channel. It
propels two wave exciters, which move up and
down in the water. Each exciter produces a wave in
a section of the V-shaped channel. Depending
upon the setting, the two exciters can move in the
same direction or in contra motion. The frequency
of these waves can be varied by changing the operating voltage of the motor.
In both partial channels there is a frame with a
fleece directly in front of the wave exciters which
the waves must pass through. Thus to a large extent a sinusoidal process is achieved. Then the
waves enter the I-shaped part of the channel and
move along to its end. If the absorbing frame with
fleece is introduced at the end of this channel,
then they are dissipated as far as possible. Thus a
continuous wave pattern develops in the channel.
If the absorber is not inserted, the waves travel to
the end of the I-shaped channel and are reflected.
With a short switch-on time of the motor, a wave
train develops which travels through the channel
and is reflected and travels back towards the exciter. With continuous operation of the motor the
arriving and the reflected waves overlap, producing
an image of a motionless standing wave.
1
If the wave absorbed at the end of the I-channel is
produced by only one wave exciter (by blocking the
second partial channel), then its amplitude is
small. If both partial waves arrive into the I-shaped
part of the channel, then the amplitude increases.
By inserting the separator into the transient area
between the V-shaped channel and the I-shaped
channel, the two partial waves run separately in
the I-shaped channel and their motions can be
compared with one another. If the two wave exciters are operated in contra motion then the phase
shift from λ/2 can be clearly observed in the area
of the inserted glass plate. The overlap of these two
partial waves leads to the fact that after they enter
the rear part of the I-channel they cancel each
other out to the greatest extent possible.
The following experiments can be carried out with
the water wave channel:
Production of a non-periodic wave
Production of a periodic wave
Proof that waves transport energy, but not mate-
rial
Phase and group velocity of a wave
Determination of the phase velocity
Demonstration of the relationship between fre-
quency and wavelength
Reflection of a wave
Standing waves
Same-phase overlapping of waves
Overlapping of waves with a phase shift of λ/2
1.1 Accessories
2 Conical frames with fleece for the homogenisa-
tion of the waves (primary absorber)
1 Frame with fleece for the absorption of the
wave (secondary absorber)
1 Tube for the temporary blocking of a partial
channel
1 Transparent separator 40x170x6 mm with
spacer pieces for inserting into the I-shaped
channel
2 Plastic balls with thread for the proving the up
and down movement
1.2 Additionally required apparatus
1 Power supply unit for DC voltage, 0 ... 20 V,
continuously variable
1 Reflector lamp
Fluoreszein for colouring the water
2. Technical data
Operating voltage of motor: 12 V DC
Dimensiones: 1500 mm x 150 mm x 290 mm
Mass: approx. 12.6 kg
3. Operation
• Fill up the water wave channel to the marked
height with water, to which some fluoreszein
has been added (fig. 1).
• The lighting with the reflector lamp takes place
diagonally from above, so that a fluorescent
layer appears on the water surface.
• Connect the motor to the power supply unit.
• Into the two partial channels of the V-shaped
part, a conical frame with fleece is introduced.
• At the end of the I-shaped part, the absorber
frame with fleece is introduced at such an angle that the waves at the surface travel very
flatly over it.
• Switch on the motor.
The image of a spreading wave develops.
In order to change the phase position of the two
partial waves, one of the rollers on the wave exciter
is rotated through 180° until it
engages.
The voltage for the motor can be increased briefly
to approximately 13 V. The amperage is smaller
than 0.5 A. The switch for the motor has three
positions. In the middle position the motor is
switched off. When pressed to one side, the motor
is switched on and remains on until the switch is
returned to the off position (continuous mode).
When pressed in the other direction, the motor is
switched on and remains on only whilst pressure is
maintained (pulse mode). In this mode short wavelengths can be produced.
• When the experiments are completed put a
water bucket under the end of the I-shaped
channel.
To empty the channel a fatigue proof plastic tube
connected to the channel inside is stored in the
grey box at the end of the channel.
• To drain the water, carefully take the tube out
of the box (one end is fixed to the drain noz-
zle).
• Slightly strech the tube and place the free end
into the bucket.
The water will be drained automatically.
• After draining the channel fold the tube in its
original zigzag configuration and push it back
into the box.
2
4. Sample experiments
4.1 Generation of a non-periodic wave
Firstly, adjust both exciters so as to produce the
same phase movement.
• Introduce the absorber frame at the end of the
I-shaped part of the wave channel.
• Switch on the motor for approx. 1 s.
A short wave train develops which moves through
the wave channel (fig. 2).
4.2 Generation of a periodic wave
• Switch on the motor for a longer time.
A progressive periodic wave develops at the exciter
and travels to the end of the I-channel.
4.3 Proving that waves transport energy, but
not material
• Attach the two plastic balls in the middle part
of the I-shaped channel by their threads to different places on the channel wall.
• Switch on the motor briefly
When the balls are met by the wave train, they
move rhythmically over and back like the water
particles. After the wave train moves through, the
balls are still in the same position.
4.4 Determining the phase velocity of a wave
• Measure the time which a wave peak needs to
travel from the entrance of the I-shaped channel to the absorber with motor running.
The speed is calculated as a quotient of distance
and time.
4.5 Relationship between frequency and wavelength
• First operate the motor with a low voltage.
• Measure the wavelength.
• Then increase the frequency of the motor and
again determine the wavelength.
• Repeat the experiment with a still greater
number of revolutions of the motor.
The greater the frequency of the wave, the smaller
is the wavelength.
4.6 Reflection of the water wave
• Remove the absorber frame from the end of
the I-channel.
• Switch on the motor for approx. 1 s.
A short wave train develops, which moves up to the
end of the I-channel. There it is reflected and travels back towards the wave exciter.
4.7 Phase velocity and group velocity
• Switch on the motor for approx. 2 s.
It is clearly visible that the wave peaks move with
greater speed to end of the I-channel and after the
reflection, from there towards the wave exciter
than the entire group of waves.
4.8 Standing waves
• Switch on the motor.
The wave is reflected at the end of the I-channel.
The reflected wave overlaps with the arriving wave.
A standing wave develops. A convincing image of a
standing wave can be achieved with a slight adjustment of motor speed.
4.9 Same-phase overlapping of waves
• Introduce the wave absorber again at the end
of the I-channel.
• Switch on the motor.
• First block the exit of the partial channels with
the cylindrical body.
• Determine the amplitude of the wave after it
enters the I-channel (fig. 3).
• Open the second partial channel again and
determine the amplitude again at the same location.
It is now greater than in the first instance by a
factor of √2. (fig. 4).
4.10 Overlap of waves with a phase-shift of 1/2
• Rotate the sleeve on the exciter paddle in such
a way that the exciters move in contra-motion.
• Introduce the separator plate into the area
between the V-shaped section and the I-shaped
section.
• Switch on the motor.
Where the separator is situated, the out of phase
situation of the two partial waves is clearly visible.
In the I-shaped part of the channel which is not
separated by the plate, the two partial waves meet
and cancel each other out (fig. 1).
The fact that standing waves are formed in the area
of the channel with the separator
plate is to be due to the reflection of the partial
waves behind the separating plate. If the exciter is
only switched on briefly, then it is noticed that the
two partial waves move up to the overlapping position. There they are then reflected back into both
channels.
3
Fig. 1 Experimental set-up of the wave channel
Fig. 2 Generation of a non-periodic wave
Fig. 3 Same-phase overlapping of waves
4
Fig. 4 Same-phase overlapping of waves
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